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Customized Dual Fuel Industrial Furnace. Applications in Industry & Academia

Development of Design Strategy for Dual Fuel fired Industrial Furnace - System Identification & Synthesis

Titel: Customized Dual Fuel Industrial Furnace. Applications in Industry & Academia

Fachbuch , 2025 , 251 Seiten

Autor:in: Dr. Mahesh Borate (Autor:in), Dr. Prashant Deshmukh (Autor:in), Arunkumar Shetty (Autor:in)

Ingenieurwissenschaften - Maschinenbau
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Zusammenfassung Leseprobe Details

This research work is mainly intensive on the optimization of dual fuel-fired industrial furnace design, optimization, simulation, commissioning, and efficiency up-gradation by way of waste heat recovery. Heat loss recovery from the furnace helps reduce global warming and pollution control, which is a part of our social responsibility. Temperature uniformity within a charge ensures 0% rejection in the production process and better-quality product. Thrust will be given on this parameter during the research work. Case studies and personal interviews were carried out to get feedback on the present Indian scenario. Briefly, an Industrial furnace is an Insulated enclosure in which the charge in other words: Job, Load is heated using combustion of fuel or electricity to the desired degree for Melting, Reheating & Heat Treatment to Ferrous & Non- ferrous metals and their alloys to acquire different shapes, properties for further applications like Casting, Reheating, Forging, Galvanizing, Extrusion, Heat Treatment for ferrous and non-ferrous metals & their alloys. The India heat treating market size was valued at USD 3.8 Billion in 2016 & is estimated to register a remarkable CAGR (Compound annual growth rate) of 7.5% from 2017 to 2027 as per Industry Grandview research report, 2018-2027. The furnace's efficiency is considered 30% for design calculations globally for metal & its alloys treatment. This indicates that almost 70% of the heat will waste leads to global warming, pollution problem, and high running cost of the furnace machine. Hence the research is mainly focused on recovering these heat losses to upgrade the environmental conditions like global warming and pollution control. This will also enhance furnace efficiency with a considerable reduction in running costs. Safety is the most critical factor for personnel working under such hot conditions & risk. Research thrust will also be given on fully automated furnaces modeling, simulation during commissioning. A case study and research on live projects will be carried out towards a fully automated furnace for experimentation of the study and research work done for validation. An essential task of the study and research work is to find out the feasibility for development in the present scenario and implementation of the same practices for the safety of personnel, green environment by the complete combustion of fuel and enhance furnace efficiency & minimizes cost.

Leseprobe


Table of Contents

1 Introduction

1.1 Introduction to Industrial Furnace

1.2 Basics of Thermal Engineering & Industrial Furnace

1.2.1 Stoichiometric A/F Ratio

1.2.2 Actual A/F Ratio

1.2.3 Heat of Combustion

1.2.4 weight of carbon in flue gases

1.2.5 Adiabatic flame temperature

1.3 Statement of proposal

1.4 Objective & scope of research work

1.5 Summary

2 Literature Review & Case Study

2.2 Literature Review

2.3 Case Study

2.4 Summarized Findings from Literature Review & Case Study

3 Dual-fuel Design Guidelines 2020

3.1 Introduction

3.2 Guidelines for Design

3.2.1 Combustion System

3.2.2 Combustion Chamber

3.2.3 Auto Temperature Control

3.2.4 Auto Ignition System

3.3 Commissioning

4 Dual-fuel Conversion Strategy 2020

4.1 Introduction

4.2 Design of Dual-fuel conversion system

4.2.1 Piping to carry PNG/Oil up to the Burner Point

4.2.2 Combustion System

4.3 Installation Work

4.3.1 Dual-fuel Burner

4.3.2 Blower

4.3.3 Gas Train

4.3.4 Controls & measurement in Gas Train

4.3.5 Air Piping & Handling System

4.3.6 Burner Control Panel

4.4 Factor for Optimization

4.5 Result of Research Work

4.6 Photographs of the Plant

5 Heat Transfer, Losses & Recovery

5.1 Introduction

5.2 Basic Concept of Heat Transfer

5.2.1 Thermodynamics & Heat Transfer

5.2.2.Extended Surfaces

5.2.3 Concept of Thermowell & Temperature Measurement

5.2.4 Unsteady State Heat Transfer

5.3 Heat transfer effect on the environment

5.4 Heat Recovery through efficient Design

5.4.1 Combustion Chamber

5.4.2 Combustion System

5.4.3 Heat Loss through Furnace wall/roof/hearth

5.4.4 Flue gas exit through chimney

5.4.5 Energy Conservation

5.5 Heat Losses through Furnace accessories/openings

5.6 Piping Losses in Air/Oil/Gas Line

5.7 Safety/Automation/Control Design

5.8 Optimization through Robust Design Principle

5.8.1 Flame Safeguard Control

5.8.2 Auto Temperature Control

5.8.3 Fuel/Air Ratio Control

5.8.4 Preheating Combustion air for fuel savings

5.9 Twin-Bed Regenerative Combustion System

5.9.1 Construction & operation of regenerative Combustion System

5.9.2 Technology Fact Sheet

5.9.2.1 Achievement

5.9.2.2 Performance Data

5.9.2.3 Operating cost Data

5.9.2.4 Efficiency & CO2 Emission

5.10 Summary

6 Dual-fuel Combustion System

6.1 Introduction

6.2 Basics of Combustion

6.3 Hydrocarbon Fuels for Combustion

6.3.1 Solid Fuels

6.3.2 Liquid Fuels

6.3.3 Gaseous Fuels

6.3.4 Renewable Fuels

6.4 Combustion Equipments

6.4.1 Dual-fuel Burner Block

6.4.2 Blower

6.4.3 Heating & Pumping Unit

6.4.4 Gas Train

6.4.5 Air Line Components

6.4.6 Oil Line Components

6.4.7 Gas Line Components

6.4.8/9 Flameproof/Non-flameproof outflow heater: service/storage tank

6.4.10 Control Panel

6.5 Summary

7 Dual-fuel Industrial Furnace Design

7.1 The need for efficient Dual-fuel Design

7.2 Heat Treating Process Overview

7.2.1 Basic Requirement of Heat Treatment Process

7.2.2 Heat Treatment Processes

7.2.2.1 Annealing

7.2.2.2 Normalizing

7.2.2.3 Stress Relieving

7.3 Types of Furnaces

7.3.1 Classification of Melting Furnaces according to the source of heat

7.3.2 Combustion based process heating

7.3.3 Electric Process heating

7.3.4 Classification based on the mode of operation

7.3.5 Vacuum Furnaces

7.3.6 Continuous Furnaces

7.3.7 classification based on material handling system

7.4 Basic elements of Furnace Design

7.5 Furnace Control

7.5.1 Temperature Sensors

7.5.2 Controllers

7.5.3 Fluid Flow Measurement

7.5.4 Control Valves

7.6 Air Pollution Control

7.7 Energy Balance

7.8 Design – Analysis, calibration, Validation & Result

7.81. Structural Model

7.8.2 Control Model

7.8.3 Process Parameters

7.9 Modified Dual-fuel Combustion system

7.10 Dual Fuel Industrial Furnace Design

7.11 Factor considered for Development

7.11.1 Incomplete Combustion

7.11.2 Furnace Temperature Control

7.11.3 Heat Losses

7.11.4 Energy saving by using VFD (Variable Frequency Drive)

7.12 Summary

8 Dual-fuel Design Implementation and Conclusion

8.1 Introduction

8.2 Project I

8.2.1 Introduction

8.2.2 Design of the system

8.2.2.1 Raw material feeding equipment: Z type Bucket Elevator

8.2.2.2 Reactor with flue gas handling system

8.2.2.3 Carbon & steel handling system

8.2.2.4 Hydrocarbon gas handling system

8.2.2.5 Oil handling system

8.2.2.6 Gas cooling system

8.2.2.7 Electricals & Instrumentation

8.2.2.8 Burner Control Panel

8.2.3 Design/Installation/Commissioning

8.2.3.1 Design

8.2.3.2 Installation

8.2.3.3 Commissioning

8.2.3 Conclusion

8.3 Project II

8.3.1 Introduction

8.3.2 Furnace Data sheet

8.3.3 Design/Installation/Commissioning

8.3.3.1 Design & Installation

8.3.3.2 Commissioning

8.3.4 Conclusion

8.4 Project III

8.4.1 Introduction

8.4.2 Design of the system

8.4.2.1 Piping to carry PNG/Oil to the Burner point

8.4.2.2 Combustion System

8.4.2.3 Installation work

8.4.2.4 Automation

8.4.2.5 Air Piping & Handling System

8.4.2.6 Burner Control Panel

8.4.3 Commissioning

8.4.4 Objective of the work

8.4.5 Conclusion

8.5 Project IV

8.5.1 Introduction

8.5.1.1 Guidelines for Design

8.5.1.2 Combustion System

8.5.1.3 Combustion Chamber

8.5.1.4 Auto temperature control

8.5.1.5 Auto Ignition System

8.5.2 Commissioning

8.5.3 Conclusion

8.6 Summarized Conclusion & Thesis Result

Research Goal and Thematic Focus

The primary research objective is to develop a comprehensive design methodology for dual fuel-fired industrial furnaces to improve energy efficiency, reduce environmental impact through pollution control, and enhance system adaptability to varying load capacities without requiring capital equipment replacement.

  • Optimization and simulation of dual fuel-fired industrial furnace design and combustion systems.
  • Implementation of automation for temperature control and flame safety to ensure operational efficiency.
  • Waste heat recovery strategies, including preheating combustion air and dual-bed regenerative systems.
  • Case studies and live project implementations to validate theoretical design models in industrial settings.
  • Development of robust design principles to maintain performance under fluctuating production throughputs.

Excerpt from the Book

1.1 Introduction of Industrial Furnace

A furnace is a generic word derived from the Greek word Fornax which means oven. Industrial Furnaces are insulated enclosures used for elevating the temperature of the Job/charge/load for different applications like Melting, Reheating, Forging, Extrusion, Galvanizing, Heat Treatment & many other applications in Industry for ferrous and non-ferrous metals and their alloys for high-temperature applications. North American furnace is An appliance fired by gas or oil in which air or water is heated and circulated throughout a building in the heating system. Combustion took place in the furnace, which is a chemical reaction of carbon from hydrocarbon fuel and oxygen from the air in the presence of ignition only.

Summary of Chapters

Chapter 1: Provides an introduction to industrial furnaces, covering basic thermal engineering principles, combustion theories, and the research objectives.

Chapter 2: Reviews existing literature on furnace technologies and details case studies conducted across various industries in India.

Chapter 3: Outlines the 2020 design guidelines for dual-fuel industrial furnaces, focusing on combustion systems, temperature regulation, and commissioning.

Chapter 4: Presents a strategic framework for converting single-fuel oil-fired industrial furnaces into dual-fuel systems.

Chapter 5: Analyzes the fundamental concepts of heat transfer, sources of energy losses, and environmental impact mitigation.

Chapter 6: Explores the specifics of dual-fuel combustion systems, including fuel types and core mechanical components.

Chapter 7: Details the design process, structural modeling, and analysis of dual-fuel industrial furnaces for enhanced efficiency.

Chapter 8: Discusses the successful implementation of the research findings through multiple industrial projects, concluding with thesis results.

Keywords

Industrial Furnace, Dual Fuel, Combustion System, Waste Heat Recovery, Energy Conservation, Pollution Control, Thermal Efficiency, Robust Design, Automation, Heat Treatment, Melting, Reheating, Forging, Thermocouple, Fuel Conversion.

Frequently Asked Questions

What is the primary motivation for this research?

The research focuses on optimizing industrial furnace efficiency to reduce high heat losses, lower running costs, and mitigate environmental concerns such as global warming and pollution, specifically within the Indian industrial landscape.

Which fuel types are analyzed in this work?

The research covers various hydrocarbon fuel sources including furnace oil, Diesel, LDO, PNG (Piped Natural Gas), and LPG, facilitating a shift toward dual-fuel flexibility.

What is the main objective or research question?

The study aims to develop a holistic, robust, and cost-effective design methodology that allows industrial furnaces to maintain high operational efficiency across varying load capacities.

What scientific methods are utilized in this thesis?

The research employs a mix of theoretical thermal simulations, academic design formulas, and practical experimentation coupled with field validation through industrial case studies.

What does the book cover in the main chapters?

The text provides a comprehensive guide from basic thermal engineering principles and literature reviews to advanced design guidelines, conversion strategies for existing equipment, and detailed project implementations.

Which keywords best describe the work?

Key terms include Industrial Furnace, Dual Fuel, Waste Heat Recovery, Energy Conservation, Robust Design, and Furnace Automation.

How does this work contribute to safety in industrial environments?

It emphasizes the integration of burner management systems, auto-ignition sequences, and precise temperature monitoring to prevent common industrial hazards like explosions or fuel leakage.

Can this research be applied to existing furnace infrastructure?

Yes, one of the central themes is the modification and optimization of existing single-fuel furnaces through retrofitting and automation, rather than requiring complete replacement of capital assets.

Ende der Leseprobe aus 251 Seiten  - nach oben

Details

Titel
Customized Dual Fuel Industrial Furnace. Applications in Industry & Academia
Untertitel
Development of Design Strategy for Dual Fuel fired Industrial Furnace - System Identification & Synthesis
Hochschule
University of Mumbai (former University of Bombay)  (Datta Meghe College of Engineering)
Autoren
Dr. Mahesh Borate (Autor:in), Dr. Prashant Deshmukh (Autor:in), Arunkumar Shetty (Autor:in)
Erscheinungsjahr
2025
Seiten
251
Katalognummer
V1582535
ISBN (PDF)
9783389135938
ISBN (Buch)
9783389135945
Sprache
Englisch
Schlagworte
Dual - Fuel Waste Heat Pollution Control Global Warming Customized Industrial Furnace
Produktsicherheit
GRIN Publishing GmbH
Arbeit zitieren
Dr. Mahesh Borate (Autor:in), Dr. Prashant Deshmukh (Autor:in), Arunkumar Shetty (Autor:in), 2025, Customized Dual Fuel Industrial Furnace. Applications in Industry & Academia, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/1582535
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